Física Exp. 3 Aula 5, Experiência 2

Modelo E e resolução do seletor

Prof. Henrique Barbosa hbarbosa@if.usp.br Ramal: 6647 Basílio, sala 100

Prof. Nelson Carlin nelson.carlin@dfn.if.usp.br Ramal: 6820 Pelletron

Prof. Paulo Artaxo artaxo@if.usp.br Ramal: 7016 Basilio, sala 101

Profa. Eloisa Szanto eloisa@dfn.if.usp.br Ramal: 7111 Pelletron

Exp. 2 – Seletor de Velocidades

PROGRAMAÇÃO Semana 1

Movimento em campo elétrico

Semana 2

Movimento em campo magnético

Semana 3

Simular o campo elétrico e mapear o campo magnético

Semana 4

Modelo para B e calibração do seletor

Semana 5

Modelo para E e resolução do seletor de velocidades

1. Modelo Teórico para o campo elétrico no Seletor

Seletor de velocidades - REAL

y

xz

0 20 40 60 80 100 1200,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Ca

mp

o e

létr

ico

em

Y

X (u.a)

0 V até 14 V -7 V até 7 V

xy

z

zE

yB

Variação espacial de E e B

tornam difícil resolver

analiticamente!

Seletor de velocidades - IDEAL

yz BE ,

x

y

x

z

yz BBEE

,

... vamos assumir E

e B constantes e

atuando em área

definidas!

vx

LB

Anteparo L

H

R

h

AC

BCV

iLL

m

qH

2

LC=L-LB/2

Campo Magnético

Campo Elétrico Sistema de placas paralelas ideais, com um anteparo a

uma distância Dps. Qual a deflexão (h) do feixe por estas placas?

Movimento de uma partícula em um campo uniforme Movimento uniforme em x

y

v vy

v0x

v0x

LP

t LP

v0x

Movimento de uma partícula em um campo uniforme Movimento uniformemente variado em y

y

v vy

v0x

v0x

LP

F qE

Fy qE

ay qE

m

vy v0y ayt

vy qE

mt

vy qELP

mv0x

Movimento de uma partícula em um campo uniforme Movimento uniformemente variado em y

y

v vy

v0x

v0x

LP

2

002

1tatvyy yy

y qE

2m

LP

v0x

2

Movimento de uma partícula em um campo uniforme Após as placas voltamos a ter movimento uniforme

v vy

v0x

t DPS

v0x

h vytx

PS

x

P

v

D

mv

qEL

00

Movimento de uma partícula em um campo uniforme O deslocamento total é a soma dos dois deslocamentos

v vy

v0x

h y h

qE

2m

LP

v0x

2

qE

m

LPDPS

v0x

2

PS

P

x

P DL

mv

qEL

22

0

LC

Movimento de uma partícula em um campo uniforme O deslocamento total é a soma dos dois deslocamentos

Ou seja:

C

x

P Lmv

qELh

2

0

h AE

v0x

2

h é proporcional ao campo elétrico e inversamente

proporcional ao quadrado da velocidade

2

PS

PC D

LL

Distância do centro das

placas

Movimento de uma partícula em um campo uniforme

Em um capacitor ideal, o campo vale:

|E| = VP/d

A velocidade do elétron depende da tensão de aceleração através de:

Ou seja:

ACcin qVK

1

2mv0x

2 qVAC

A VP

VAC

h é proporcional à tensão entre as placas e

inversamente proporcional à tensão de aceleração dos elétrons

h AE

v0x

2

Quem é a constante A’?

Ou seja

Contudo, quais são as dimensões das placas equivalentes (LP) e a distância (d) entre elas?

Tenho duas variáveis e apenas uma medida. Como eu resolvo esta ambigüidade?

CP Ld

LA

2

d deff

LPeff

LP

Quem é LP e d?

Vamos lembrar alguns conceitos sobre movimento, em especial impulso de uma força

No nosso caso ideal, a força é constante com módulo dado por qE. Nesta situação:

I p t

dttF0

)(

tEqdtEqdttFI

tt

00

)(x

P

v

LEq

0

Quem é LP e d?

Lembrando que o deslocamento na tela do TRC vale:

E sabendo que o impulso, na direção y, tem módulo qELP/v0x, e sabendo que o momento inicial da partícula vale p = mv0x, temos:

C

x

P Lmv

qELh

2

0

CC Lp

pL

ph

Impulso

Quem é LP e d?

Ou seja, o deslocamento está diretamente relacionado ao impulso fornecido pelo campo elétrico

Podemos utilizar esta informação para fazer uma escolha realista para o comprimento efetivo das placas. Em que parte da trajetória se dá o impulso que altera o

deslocamento da partícula?

h Ctep

p

Quem é LP e d?

No caso ideal temos que:

Como:

Temos:

LP

E

I qE t

v0x x

t t

x

v0x

I qE

v0x

x

I

Ou seja, o impulso se dá na região que o campo atua mais

intensamente

Quem é LP e d?

Calculando o impulso acumulado

Usar o campo simulado

0 2 4 6 8 100

2

4

6

8

10

12

14

16

18

E (

u.a

.)

x (u.a.)

0 2 4 6 8 10 120

10

20

30

40

50

60

5% impulso máximo

Imp

uls

o a

cu

mu

lad

o (

u.a

.)

x (u.a.)

95% impulso máximo

LP

I (x) F (t)dt0

t

qE

v0x

dx0

x

IMP

OR

TA

NT

E!

Calculo LP a partir deste

gráfico

Para entregar – parte 1

Da simulação do campo, fazer o gráfico de impulso acumulado em função do comprimento.

Determinar o comprimento efetivo das placas (LP) Usar como limites 5% e 95% do impulso máximo acumulado como limites

Dica: use o Excel e faça a integral como a soma de pequenos retângulos

Determinar a distância efetiva (d) entre as placas ideais de comprimento LP para que elas provoquem o mesmo impulso total

Comparar esses parâmetros com as medidas equivalentes das placas do TRC e discutir.

2. Seleção de Velocidades

Vamos olhar de perto este seletor

Qual é a condição na qual a partícula não sofre desvio?

vB > E

vB < E

Condição de força resultante

nula:

F q vxB E ˆ k qBvzˆ i 0

v0xB E 0

v0x E

B

Se a velocidade da partícula for igual à razão entre campo elétrico e magnético o desvio

sofrido é nulo

md

dtv q vxB E ˆ k qBvz

ˆ i

v0x E

B

vz inicial é nula. Se não houver força em Z isto não muda

Vamos olhar de perto este seletor

Mas também podemos pensar em cada movimento separadamente

vB > E

vB < E

Já estudamos que a deflexão

devido ao campo elétrico

(apenas) vale:

v0x E

B

E a deflexão devido ao campo magnético vale:

C

x

PE L

mv

EqLh

2

0

Bmv

LqLH

x

CBB

0

Vamos olhar de perto este seletor

Na situação que não há desvio da partícula, um movimento compensa o outro e assim:

vB > E

vB < E

v0x E

B

Ou seja:

Bmv

LqLL

mv

EqL

x

CBC

x

P

0

2

0

BE Hh

B

E

L

Lv

B

Px 0

Assim:

Se estavam

alinhadas...

Vamos olhar de perto este seletor

Mas na aula passada nos deduzimos, a partir de Fe=Fm, que:

Como é que agora temos??

Nossa falha na aula passada foi assumir que as forças estavam em equilíbrio. Isso não é possível pois LB (~8cm) e LP (~4cm) são diferentes!

i

V

dB

Ev P

x

10

i

V

L

dL

B

E

L

Lv P

B

P

B

Px

/0

Tarefas da Semana – Parte 2 A partir da fórmula teórica para a seleção de

velocidades deduzida por hE=HB, ie equilíbrio dos impulsos,

Estimar o valor da constante de calibração e comparar

com aquela obtida experimentalmente

Comparar com as obtidas por seus colegas e comente o resultado

dL

L

i

Vv

B

PPx

1 onde ,0

Mediram

experimentalmente,

então seu valor não

muda...

O que mudou foi a

nossa interpretação

do que “entra” na

constante...

3. Resolução do Seletor

Seletor de Velocidades Vimos que, conhecendo a constante α do seletor, para

selecionarmos uma velocidade (partículas dessa velocidade passam sem desvio) precisamos apenas conhecer a razão VP/i correspondente:

Porém há um número infinito de valores de VP e i que dão a mesma razão VP/i.

Como escolher?

i

Vv P

x

Há uma limitação na tensão nas placas: a fonte vai até 30V

Há limitação na corrente nas bobinas em torno de 2,0 A embora por uma questão de segurança a recomendação é que não se passe de 1,0A.

Mesmo com essas limitações há vários valores possíveis de VP e i com a mesma razão VP/i.

Posso escolher qualquer uma?

Há alguma diferença no funcionamento do seletor?

Seletor de Velocidades

Para investigar isso vamos precisar de outros parâmetros que caracterizem o instrumento

Uma característica importante é a sensibilidade do aparelho, isto é, se ele foi construído para separar partículas carregadas pela sua velocidade, qual é a menor diferença em velocidade que ele consegue distinguir?

Seletor de Velocidades

Qual o melhor Vp/i ?

Resultado do H04

Resolução Quando se constrói um aparelho que funcione como

um filtro ou seletor de qualquer coisa, a primeira pergunta que se faz é:

Qual é a sensibilidade desse aparelho, ou seja, quão bem ele distingue aquilo que ele vai separar?

Isso é medido por um parâmetro chamado resolução:

Se está separando massas:

Se está separando por diâmetro:

Se está separando por velocidade:

m

mR

d

dR

v

vR

Exemplo

Resolução em velocidade Vamos imaginar que tenhamos um orifício de

diâmetro d alinhado com o eixo do seletor.

Quando se ajusta uma razão VP/i, deve passar somente partículas com a velocidade escolhida pelo orifício

Mas existem outras partículas de velocidades muito próximas que vão sofrer pequenos deslocamentos

Se o orifício tem um diâmetro de tamanho suficiente, passarão outras partículas por ele, cujas velocidades não foram selecionadas, mas que são tão próximas da selecionada que o instrumento não consegue distinguir

Separação de massas por distâncias

O tamanho do orifício define a resolução desse

dispositivo como separador de massas

Supor um canhão que atire bolas de massas diferentes seqüencialmente:

Resolução em velocidade Nesse caso, precisamos definir um parâmetro do

seletor de velocidade que nos indique em que medida ele é um bom separador de velocidades: a resolução do aparelho que é definida como:

Onde vx é a velocidade selecionada e Δvx é o intervalo de

velocidades que passou pelo orifício, ou seja, que o instrumento não distingue da velocidade selecionada

Como se determina Δvx ?

x

x

v

vR

Para medir Δvx:

Vamos fazer a seguinte medida:

Ligamos o seletor, selecionamos uma velocidade, v0x, através de V/i, para passar sem desvio

Em seguida vamos variar a velocidade e medir o deslocamento do feixe na tela (na direção z)

Montar a tabela:

Deslocamento na tela

Velocidade (tensão

aceleradora)

v0x z

Para medir Δvx: Com essa tabela fazemos o gráfico z x v0x;

z

v0x

z=0

Mantendo a razão VP/i constante e

variando a velocidade obtém-

se a curva

Os pontos acima e abaixo da linha z=0

correspondem a situações de

desequilíbrio entre FE e Fm

z

vx

VP/i = cte

z=0

VP1/i1=VP2/i2=VP3/i3

Vamos fazer o mesmo gráfico, para a mesma razão VP/i obtidas a partir de valores diferentes de VP e i

Medindo Δvx:

Somente as partículas cujas

velocidades estão nessa linha passam sem desvio, z=0

Cada ponto nessas curvas corresponde a

um deslocamento na

tela no eixo z

v0x

vx

Δz

Δvx

z

VP/i = cte

Medindo Δvx → ΔVAC

06,0

5

12,0

10

3,0

25

i

VP

Para a mesma incerteza em z temos diferentes

incertezas rebatidas em VAC e, portanto, na

velocidade

Cálculo da resolução Mesma razão VP/i mas diferentes valores de VP e de i → mesma velocidade selecionada, mas....

z

vx

z=0

v0x

x

x

v

vR

Mas a resolução em velocidade

do instrumento não é a mesma

Resolução do seletor

Vamos ter um erro no eixo z , Δz que é na verdade o tamanho do ponto na tela. Calculando o erro Δvx a partir de Δz, vemos que ele muda para cada curva e, portanto a resolução em velocidade muda.

vx

Δz

Δvx

z

VP/i = cte x

x

v

vR

Para Entregar – Parte 3

1- Selecione uma velocidade vx para passar sem desvio → VAC → uma razão VP/i.

2- Varie VAC, e, portanto vx ,mantendo a razão VP/i constante e levante a curva deslocamento z x vx.

3- Varie o valor de VP e i, mantendo a razão constante, levante outra curva z x vx.

Repita esse procedimento para no mínimo 3 valores diferentes de VP e i sempre mantendo a razão constante

Para entregar – Parte 4 4- A partir da incerteza do deslocamento z, no gráfico z x

vx, calcule a dispersão em vx → Δvx, para cada uma das curvas medidas.

5- Calcule a resolução em velocidade do instrumento para cada uma das curvas medidas.

6- Comente suas observações, discuta o funcionamento do instrumento sob o ponto de vista da resolução.

x

x

v

vR

Dicas

Usem uma velocidade média com um Vac=700V e Vp/i da ordem de 83:

Daí tem 3 pontos para cima (800, 900, 1000V) em relação a z=0 e 3 pontos para baixo (400, 500, 600V) para cada curva.

Ao todo 7 pontos para cada curva

Se para algum seletor o valor de 400 for muito baixo, ou seja, não aparece o ponto na tela, subir um pouco até aparecer e manter todas as outras tensões também um pouco mais altas.

8306,0

5

12,0

10

3,0

25

i

VP